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水溶性量子点的γ射线辐照制备及其生物效应研究

常树全  
【摘要】: 作为纳米材料家族的重要一员,量子点具有十分优异的电学和光学特性,在光电器件和生物医学等领域具有非常广阔的应用前景。量子点要在生物医学领域得以广泛应用,除具备优异的光学性能外,还应该具有良好的水溶性、生物相容性和较低的毒性。本文主要围绕量子点在生物医学应用中涉及的关键问题,重点开展了水溶性量子点的制备和量子点生物效应两方面的研究工作:首先,采用γ射线辐照法在水溶液中成功制备了天然高分子(丝素蛋白、壳聚糖)修饰的水溶性量子点,探索发展了一种基于天然高分子稳定剂的准零维纳米材料γ射线辐照制备方法;然后,研究探讨了量子点在细胞中的代谢、分布及毒性效应,着重考察了紫外线照射条件下其毒性效应情况,为量子点在生物医学中的实际应用提供了基础。主要取得了如下研究成果: 1)采用γ射线辐照法成功制备了纳米Ag和CdS量子点修饰的蚕丝纤维,对其微观结构和发光性能进行了测试表征,表明产物具有优异的抗菌或发光性能;讨论了反应条件对产物性能的影响,摸索出最佳制备条件;对反应过程和机理进行了分析探讨,为后续制备丝素蛋白和壳聚糖修饰量子点提供了思路。 2)在水溶液中,利用γ射线辐照法成功制备了丝素蛋白修饰的CdSe和ZnSe:Mn~(2+)量子点,对产物的微观结构、光学性能、磁学性质、细胞代谢及毒性情况等进行了测试分析,考察了实验条件对产物性能的影响,并对合成过程和反应机理进行了分析探讨;SF-CdSe量子点具有良好的水溶性、稳定性和荧光发射性能,可成功实现对PANC-1细胞的荧光标记,在细胞内部具有良好的光学稳定性和较小的细胞毒性;ZnSe:Mn~(2+)量子点粒径分布比较均匀,具有良好的水溶性、光学和磁学性能。 3)利用γ射线对大分子壳聚糖进行辐照降解,成功制备了小分子水溶性壳聚糖,分析讨论了辐照剂量以及各种预处理方式对产物分子量、结构和辐照产额的影响,摸索出最佳实验条件,并对产物的水溶性进行了详细研究。 4)γ射线辐照法制备了小分子壳聚糖修饰的CdSe、ZnS和ZnS:Mn~(2+)量子点,对其微观形貌、结构和光学性能进行了测试表征。实验结果表明,产物均具有良好的水溶性和荧光发射性能且可实现对PANC-1细胞的荧光标记;研究了合成条件对产物性能的影响,摸索了最佳合成条件;对其合成过程和反应机理进行了分析探讨。 5)探索发展了一种基于天然高分子稳定剂的准零维纳米材料γ射线辐照制备方法;丝素蛋白和壳聚糖均为纯天然高分子材料,其修饰的量子点具有良好的生物相容性和广阔的应用空间;该辐照合成方法简单易行,可推广应用于制备丝素蛋白或壳聚糖修饰的其他纳米材料。 6)制备了五种不同粒径的MPA-CdTe量子点(QD_538、QD_561、QD_580、QD_605和QD_629)和Cys-CdTe量子点(QD_543),对其基本光学性能进行了测试分析,表明其具有良好的水溶性和荧光性能;利用上述CdTe量子点,研究了量子点粒径、浓度、表面修饰状态、细胞在含量子点培养液中的培养时间、细胞在含量子点培养液中培养一定时间后的继续孵育时间等因素对量子点在细胞中分布、代谢和细胞毒性情况的影响,并对其作用机理进行了初步分析讨论。 7)对绿色和红色MPA-CdTe量子点在UV照射条件下的光学稳定性进行了实验研究,结果表明它们具有良好的水溶性和荧光发射性能;UV照射下,其在水溶液和PBS溶液中均表现出良好的光学稳定性;研究了UV照射下,红色和绿色MPA-CdTe量子点对PANC-1细胞的损伤和毒性情况,讨论分析了UV照射时间、量子点浓度、细胞与量子点共同培养时间等多个因素对UV照射致量子点细胞毒性增强效果的影响情况。 8)考察了UV照射条件下,量子点标记PANC-1细胞中ROS的产生情况,通过引入抗氧化剂NAC对比讨论了活性氧在UV照射致量子点细胞毒性增强过程中的作用,并对上述现象的作用过程和机理进行了初步讨论。


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